O desenvolvimento de equipamentos na área de energia tem sido amplamente discutido por diversas nações e empresas, dentre os quais é possível destacar as turbinas a gás. O estudo desse tipo de motor é bastante complexo, pois envolve diversas áreas do conhecimento como aerotermodinâmica, combustão, controle e integridade mecânica. A integridade mecânica possui um papel importante, uma vez que falhas mecânicas podem ocasionar graves acidentes e elevados prejuízos financeiros. Dessa forma, é importante analisar corretamente todos os parâmetros que estão envolvidos nesse contexto, como análises estruturais, desenvolvimento de novos materiais e também estudos relacionados às vibrações mecânicas que são as principais causas de falhas mecânicas. O presente trabalho foi desenvolvido para justamente entender o comportamento dinâmico de rotores e assim evitar que qualquer dano estrutural seja causado por vibrações excessivas do conjunto rotativo. Para isso foi caracterizada toda uma metodologia de projeto para a construção de um modelo eficiente capaz de traduzir esse comportamento dinâmico. Além disso, para realização do estudo foi utilizado o método de elementos finitos juntamente com o software comercial ANSYS que é uma ferramenta adequada para resolução de diversos problemas de engenharia. Primeiramente foram desenvolvidas validações através de modelos simples obtidos da literatura para a verificação do método e do software. Posteriormente, estudos mais detalhados foram introduzidos para comparar diferentes tipos de modelagem, utilizando elementos de viga, elementos sólidos 2D e 3D. Finalmente, a metodologia proposta foi aplicada a um rotor com todas as características reais de um conjunto rotativo de turbina a gás.

As máquinas rotativas estão cada vez mais presentes no mundo moderno e suas aplicações são as mais diversas. Dentre as máquinas rotativas que requerem um funcionamento mais suave possível as turbinas a gás são um grande exemplo, pois estas operam em rotações elevadas e em condições severas. Em aplicações aeronáuticas, dada a proximidade com pessoas, as turbinas a gás requerem um nível de precisão de operação muito alto, evitando danos que possam ocorrer colocando em risco as pessoas à sua volta. Para atingir um alto patamar de segurança é necessário que haja previsão e controle de vibrações. Prevenir vibrações exige estudo anterior à produção da turbina a gás e é neste contexto que situa-se a dinâmica de rotores, que estuda o comportamento dos rotores, utilizando-se de dados provenientes do projeto da máquina, antes da fabricação de qualquer protótipo. Com isso, os projetos tendem a ter seu custo e tempo de conclusão reduzidos, além do produto que opera em condições seguras e com maior vida útil. Este trabalho tem como objetivo o estudo da dinâmica de rotores por meio da simulação de um rotor em operação, para que seja analisado seu comportamento dinâmico. Utilizando o método de elementos finitos e o método de integração de Newmark implementados em uma rotina em MatLab, um rotor é simulado e como resultados são obtidos o diagrama de Campbell, a resposta ao desbalanceamento e as órbitas descritas pelo rotor. Tornando possível prever o comportamento do rotor sem que hajam testes empíricos. Inicialmente, para validar o modelo foram utilizados dois exemplos retirados da literatura e comparados com os resultados obtidos pela rotina. O primeiro, analisa um mono-rotor com um disco e sem amortecimento nos mancais, operando em velocidade crítica. O segundo, analisa um mono-rotor com três discos e com o amortecimento dos mancais, operando fora das velocidades críticas. Por fim, foi realizado um estudo de caso de um rotor real, simulando-o e analisado-o conforme sua rotação de operação.

Com o intuito de reduzir o ruído interno na cabine de aeronaves, isoladores de vibração fabricados com elastômero são montados entre a fuselagem e os painéis do interior da aeronave. Uma avaliação precisa dos caminhos de transmissão das vibrações e a correta predição dos níveis de ruído interno pode ser obtida através de modelos numéricos adequados dos isoladores e da forma com que estes acoplam a fuselagem aos painéis internos da cabine. Em geral, modelos simplificados não são capazes de prever o desempenho do isolador em frequências médias e altas, uma vez que não consideram modos naturais de vibração do próprio material do isolador. Além disto, as propriedades dinâmicas do material visco-elástico utilizado nestes isoladores não são adequadamente identificadas pelos fabricantes. Neste trabalho, testes experimentais foram realizados para se caracterizar a rigidez dinâmica do isolador. As propriedades mecânicas do elastômero foram obtidas para uma correta análise do modelo de elementos finitos, e a partir do modelo numérico atualizado, foi possível obter frequências naturais e modos de vibração e, conhecer parâmetros do real comportamento do isolador. Diferentes abordagens e complexidades para os modelos clássico de massa-mola-amortecedor e de matriz de transferência foram utilizadas para obter o comportamento dinâmico dos isoladores de vibração. Para a avaliação das diferentes formas de modelagem do isolador, considerou-se um modelo contendo um painel reforçado e um painel simples conectados por isoladores, os quais remetem a uma estrutura fuselagem-isolador-painel interior. Com este modelo foi possível comparar a resposta dinâmica e valores do fator de perda por acoplamento obtidos a partir de modelos numéricos, baseados em FEM, SEA, e híbrido SEA-FEM. Neste último, o modelo dos painéis em SEA foi combinado com o modelo em FEM do isolador. Esta combinação em modelo híbrido proporcionou obter maior fidelidade no acoplamento fuselagem-isolador-painel interno, e consequentemente levaria a predição mais acurada dos níveis de ruído dentro da cabine da aeronave.

O whirl flutter é um fenômeno aeroelástico característico de aeronaves com motores a hélice. Trata-se da instabilidade do movimento de precessão da hélice devido ao acoplamento dos deslocamentos de arfagem e guinada em conjunto com a atuação das forças aerodinâmicas, que alimentam as oscilações do sistema. Inicialmente, o presente trabalho busca entender este mecanismo de flutter através de uma revisão bibliográfica e da obtenção das equações de movimento para um sistema simples com dois graus de liberdade. A seguir, apresenta-se uma metodologia para os cálculos de whirl flutter com o uso do software comercial MSC/NASTRAN. O processo é aplicado ao estudo de caso de uma aeronave bimotora de pequeno porte, utilizando um modelo de elementos finitos para a estrutura de fixação do motor. A introdução dos efeitos giroscópicos e aerodinâmicos da hélice é proporcionada por um pré-processador externo, que também tem o seu funcionamento apresentado. As respostas do NASTRAN para o estudo de caso são então comparadas aos resultados de um programa específico para o cálculo de whirl flutter.

Estruturas de paredes finas são extensivamente utilizadas em aplicações aeronáuticas para satisfação dos critérios simultâneos de alta performance e redução de peso. Nestas condições extremas de projeto as estruturas frequentemente operam além do limite da estabilidade local. Neste contexto, este trabalho propõe uma abordagem numérica para descrever o comportamento dinâmico de uma viga-caixão simplificada de alumínio sujeita a flambagem local. A metodologia proposta é baseada num modelo de elementos finitos não-linear e num procedimento de análise modal experimental. O modelo de elementos finitos contempla uma solução em duas etapas para os problemas não-linear estático e de vibrações livres acoplados: (i) determina-se o equilíbrio estático, considerando não-linearidades geométricas, e, (ii) resolve-se o problema linear de vibrações livres para pequenas amplitudes com base na matriz de rigidez tangente do equilíbrio estático corrente. A fim de ilustrar o método proposto, o modelo numérico é definido para uma viga-caixão simplesmente apoiada em compressão uniaxial, com diferentes valores para a excentricidade de carga. Os resultados numéricos são correlacionados com um procedimento de análise modal experimental nos regimes de pré e pós-flambagem. Com base nesta comparação, uma atualização no modelo é proposta ajustando-se imperfeições iniciais baseadas nos modos de flambagem linear. Os resultados são apresentados com o intuito de ilustrar o efeito do fenômeno da flambagem local, das imperfeições iniciais e da excentricidade de carga sobre o comportamento dinâmico da viga-caixão. As variações das frequências naturais com o carregamento são caracterizadas pela metodologia numérica. Os resultados, validados experimentalmente, se mostraram bastante satisfatórios e podem ser utilizados em fases preliminares de projeto.

A ideia de realizar este trabalho surgiu durante do curso de pós-graduação, ministrado pelo Prof. M. Drigas, \"Tópicos especiais sobre máquinas elétricas\", realizado no 2º semestre de 1980 na EPUSP, onde foi observada a necessidade do conhecimento das distribuições de campos magnéticos em dispositivos eletromecânicos com o objetivo de se prever seu desempenho na fase de projeto. Nesta época, já havia sido apresentada a tese do Prof. Janiszewski, o primeiro trabalho, de nosso conhecimento realizado no Brasil nesta área, onde foi desenvolvida a técnica de resolução de problemas de Campos Magnéticos em Regime Estacionário, que, evidentemente, não pode ser aplicada na resolução de problemas onde a variável tempo está envolvida; baseado neste tese, em 1982 o Prof. Luiz Lebensztajn, reproduziu o trabalho do Dr. Janiszewski o qual foi aplicado para verificar a consistência dos resultados práticos na tese de Livre Docência do Prof.. Dr. Aurio Gilberto Falcone. As formulações mais frequentes do Método dos Elementos Finitos (MEF), publicada nos periódicos internacionais, são baseadas no Cálculo Variacional, onde o sistema de equações algébricas não linear resultante, é derivado a partir da obtenção do extremo de uma funcional que em algumas situações não pode ser obtida, limitando assim sua aplicação. Em decorrência deste fato, o primeiro objetivo deste trabalho foi organizar os procedimentos para obtenção do sistema de equações de MEF aplicado à resolução de problemas de campo descritos por equações diferenciais não lineares, sem a necessidade. Algumas contribuições interessantes são encontradas no Capítulo II, referente à formulação do MEF para problemas de campo descrito por operadores diferenciais não auto-adjuntos.No Capítulo III são apresentadas as técnicas de montagem das matrizes, bem como aquelas de introdução das condições de contorno, originárias deste método, que muito embora sejam técnicas de aplicação corriqueiras, ajudarão em muito o pesquisador iniciante nesta área, sem a necessidade de recorrer a outro texto. No Capítulo VI são apresentadas as formulações necessárias para a solução de problemas de campos eletromagnéticos estáticos, para elementos de quatro lados retos (e curvos) assim como a técnica utilizada na obtenção da relutividade em meios não lineares. No Capítulo V são tratados os problemas de campo, onde a variável tempo está envolvida, permitindo assim a resolução de uma série enorme de problemas referentes aos campos de natureza eletromagnética, tais como os fenômenos transitórios e o Regime Permanente Senoidal. Os aspectos computacionais ligados ao trabalho estão expostos no Capítulo VI, onde são apresentadas as rotinas de resolução do sistema de equações resultante adaptadas às particularidades do problema, e as rotinas de integração numérica de problemas descrito por equações diferenciais dependentes do tempo de primeira e segunda ordem. Algumas técnicas apresentadas nestes Capítulos, são aplicadas espe3cificamente para a obtenção da distribuição de campo magnético no Capitulo VII deste trabalho, com o objetivo de analisar o desempenho de um transformador em regime transitório, onde é confirmada a consistência do método. / The idea of making this work came during a graduation course, \" Special topics on electric machines\", lectured by Prof. Dr. M. Drigas during the 2nd semester of 1980 at EPUSP, when the need of knowing the distribution of magnetic fields in electromechanics devices was notices, in order to foresse its performance during design. At that time, the first work about this subject realized made in Brazil was presented in prof. Janiszewski\'s thesis, where a technique was developed to solve Steady-State Magnetic Fields. However, it is clear that when the time variable is considered, this technique cannot be applied. The usual formulations of the Finite Element Method, published in international journals, was based on Variational Calculations, where the resulting non-linear algebraic equations system is derived from the extreme of a functional, which sometimes cannot be obtained, limiting in this way its application. Consequently, the first aim of this work is to organize procedures to obtain the Finite Method equations system, in order solve non-linear differential equations of fields, without the need of a previous functional for the problem. In Chapter II, one will find some interesting contributions referred to the Finite Element Method formulation, in the description of field problems by the use of non self-adjacent differentials operations.Matrix building techniques are presented in Chapter III, as well as the introduction of boundary conditions in this method. In spite of being an ordinary technique, it will help the beginners a lot, eliminating the need of other sources. Chapter IV presents the necessary formulations, which solve static electromagnetic fields for elements of four square (and curved) sides, and the technique used in the determination of non-linear media reluctivity. In Chapter V, the time variable of electromagnetic fields is treated, making possible the solution of problems of this nature, such as transient phenomena and sinusoidal steady-state. Computer aspects of the work are shown in Chapter VI, presenting resolution routines of the equation system fitted to the problem, and numeric integration routines described by first and second order differential equations, which depend on the time. Some techniques showed in those previous Chapters are specifically used in Chapter VII to obtain the magnetic field distribution, which analyses transformer performance during transients. The coherence of the method is also confirmed.

Debido a la alta actividad sísmica de la costa peruana, a la magnitud de los eventos sísmicos que se presentan y especialmente a las nuevas herramientas disponibles, los análisis dinámicos vienen cobrando mayor importancia en los diseños y análisis de estructuras en general. La presente tesis evalúa dinámicamente la estabilidad de los taludes de la Costa Verde en el distrito de Miraflores por el método de elementos finitos, al modelar secciones críticas de estos taludes en el programa GeoStudio 2004 (mediante sus aplicaciones QUAKE/W y SLOPE/W) y someterlos a la acción de cuatro sismos. Los sismos seleccionados, los mayores eventos de los años 1966, 1970, 1974 y 2006 cerca al lugar de análisis, fueron ingresados a GeoStudio 2004 en forma de registros de aceleraciones y tras ser aplicados al modelo numérico creado, fueron utilizados para determinar las resistencias post-sísmicas y las deformaciones permanentes en las secciones evaluadas. Estos resultados permitieron obtener un entendimiento general del comportamiento de los taludes durante y después del sismo, así como observar el efecto del mismo en la estabilidad de las estructuras analizadas. Como complemento a esta tesis se realizó un manual sobre el análisis dinámico de estabilidad de taludes por elementos finitos con GeoStudio 2004 (incluido en los anexos). / Tesis

El presente trabajo se basa en el rediseño de un Termociclador para la replicación de ADN, empezando por la explicación de los procesos de replicación del acido desoxirribonucleico, como sus características, condiciones y su desarrollo tecnológico, también en el uso aplicativo del Termociclador empleado en dicho proceso de replicación. Para llevar a cabo la síntesis del ácido desoxirribonucleico (ADN) in vitro, se utiliza un dispositivo electrónico llamado Termociclador. Este equipo regula automáticamente la temperatura y el tiempo para completar un ciclo de PCR (siglas en ingles Polimerase Chain Reaction) de manera tal, que la secuencia se repita durante el tiempo programado, de acuerdo al interés del investigador. Para la parte electrónica se presenta como solución a este rediseño un diagrama de bloques, en el cual presenta las partes a conformar de un Termociclador, estas se diferencian en etapas como son: Control, Potencia, Sensado, Comunicación serial, entradas y salidas de datos, fuente de alimentación y diagrama de flujo del funcionamiento del equipo. Para corroborar los cálculos efectuados y la selección de componentes electrónicos en cada una de las etapas mencionadas, se desarrolla la simulación, empleando diferentes programas de simulación como se mencionan en el presente trabajo. / Tesis

Cierto grupo de servicios de ingeniería está desarrollando el proyecto minero Inmaculada, el cual consta de una planta concentradora de oro y plata. Este proyecto se encuentra en su etapa de ingeniería. Uno de los procesos de esta planta es la lixiviación, el cual se lleva a cabo en 7 tanques agitadores de 3336 m³ de capacidad, 15.9m de diámetro y 16.8 m de alto. Sobre cada uno de estos tanques se monta una plataforma en la cual se instalará un agitador. Este tipo de diseño tanque-plataforma presenta un riesgo estructural y requiere de una evaluación para asegurar su correcto desempeño. En el presente trabajo se realizó la evaluación del diseño estructural de un sistema tanque-plataforma usado para un proceso de lixiviación; con la finalidad de garantizar que el conjunto cumpla con las solicitaciones requeridas, tanto en resistencia, servicio y bajo cargas dinámicas. La evaluación se realizó según la normativa aplicable y se empleó para el análisis el Método de los Elementos Finitos (MEF). La primera parte de esta tesis incluyó condiciones de sitio e información técnica necesaria para la evaluación estructural. Se incluyó también el marco teórico que comprende la metodología ASD (Allowable Stress Design) empleada en el análisis del tanque, el método LRFD (Load and Resistance Factor of Design) utilizado para la evaluación de la plataforma, teoría de vibraciones e información sobre el Método de Elementos Finitos (MEF); y luego se describió un procedimiento general de simulación. Para el análisis estático del conjunto, se elaboró un modelo conceptual y se modelaron las cargas a las cuales estarán sometidos el tanque y la plataforma. Luego se realizó una evaluación del tanque de acuerdo a la norma API 650; los resultados mostraron que se encontraron elementos sometidos a esfuerzos que superan en un 14% a los esfuerzos admisibles (136 MPa). Posteriormente se realizó una verificación de la plataforma de acuerdo a la AISC 360; en los resultados se observó que la carga no se distribuía uniformemente, ya que una de sus vigas principales soportaba 91% más de carga que la otra. Se realizó también un análisis modal del conjunto para determinar sus frecuencias naturales; y se observó que no presentaría problemas de resonancia. En consecuencia, el diseño original no cumplió los requerimientos de diseño. Finalmente se realizaron modificaciones al diseño original en las cuales se redujo la concentración de esfuerzos en el tanque. Para la plataforma, se distribuyeron mejor las cargas; con ello se logró reducir el peso de la estructura, y se optimizó el diseño. El análisis modal mostró que el nuevo diseño tampoco entrará en resonancia. En conclusión, aplicando la metodología de diseño y la normativa vigente, el diseño final cumplió con los requerimientos del proyecto. / Tesis

En el presente trabajo se desarrolla un procedimiento general para el an alisis din amico de estructuras usando m etodos num ericos. Se usa el M etodo de los Ele- mentos Finitos (MEF) para la discretizaci on espacial del dominio de la estructura y los m etodos de superposici on modal, integraci on expl cita e integraci on impl cita para la integraci on en el dominio del tiempo de las ecuaciones que gobiernan la respuesta din amica de la estructura provenientes del MEF. Se realiza un repaso de los m etodos anal ticos para el an alisis de sistemas de un grado de libertad y del m etodo de los elementos nitos, de niendo los par ametros m as importantes a ser usados en la programaci on de los c odigos o en el uso de programas de simulaci on comerciales. Las caracter sticas m as representativas de cada operador de integraci on son presentadas, as como los par ametros de decisi on entre uno y otro m etodo. El procedimiento propuesto se aplica a un problema de din amica estructural de dos maneras: mediante la programaci on de un c odigo de MEF en MatLab y mediante la simulaci on del mismo problema usando el programa comercial ANSYS R14, en am- bos casos se indica como se introducen los par ametros necesarios para el an alisis. Los resultados de estas simulaciones son comparados con los resultados obtenidos por medio de las t ecnicas anal ticas cl asicas y con los resultados indicados en la biblio- graf a. La evaluaci on de los resultados muestra las caracter sticas m as importantes de cada m etodo como es la sensibilidad al paso de tiempo en el caso de integraci on directa y la elecci on del n umero de modos de vibraci on en el caso de superposici on modal. Los resultados obtenidos mediante las simulaciones concuerdan con los de la bibliograf a, demostrando as que el MEF es una herramienta con able en tanto se controlen adecuadamente los par ametros de cada fase del an alisis. / Tesis